Les réactions de fusion : un autre point de vue sur la formation des

Les r´eactions de fusion : un autre point de vue sur la
formation des magmas par fusion partielle
J.-Fran¸cois Moyen
14 janvier 2004
Depuis longtemps, les g´eologues savent que les roches magmatiques se forment par fusion
partielle d’autres roches, produisant tout en mˆeme temps un r´esidu solide et un magma,
qui migre vers la surface.
Le d´eveloppement des m´ethodes de p´etrologie exp´erimentale, `a partir des ann´ees 80, a
permis d’´etudier plus en d´etails ces processus; on est maintenant capable de d´ecrire assez
pr´ecis´ement ce qui se passe r´eellement lors de la fusion partielle d’une roche, quels sont les
min´eraux form´es et ceux qui disparaissent, etc.
Une notion centrale a ´emerg´e `a l’occasion de ces travaux, celle de “r´eaction de fusion” :
c’est une r´eaction chimique entre diff´erentes esp`eces min´erales, analogue aux r´eactions
m´etamorphiques mais impliquant un liquide. Raisonner en terme de r´eaction de fusion
permet d’expliquer et d’unifier un bon nombre de notions de la p´etrologie magmatique :
solidus, diff´erence entre solidus anhydre et hydrat´e, origine des s´eries magmatiques et plus
g´en´eralement des diff´erents types de magmas . . . Cette approche am`ene aussi `a traiter de la
mˆeme fa¸con m´etamorphisme et magmtisme, et `a abolir la diff´erence quelque peu arbitraire
faite entre les deux domaines !
1 – Les r´eactions de fusion
1.1 Que sont les r´eactions de fusion?
La fusion partielle des roches peut ˆetre d´ecrite par des r´eactions chimiques, tout `a fait
analogues aux r´eactions m´etamorphiques (mais impliquant un liquide magmatique comme
un des produits de la r´eaction). Par exemple, la r´eaction “classique” de formation de liquides
granitiques `a l’eutectique du syst`eme Quartz—Albite—Orthose peut s’´ecrire 1
Qz +Ab +Or +H2O®Liquide
1.1.1 Congruent, incongruent
Par d´efinition, on qualifie de congruente une r´eaction de fusion durant laquelle seul du
liquide est form´e, par exemple
Qz +Ab +Or +H2O®Liquide (1)
A l’inverse, si une nouvelle phase solide se forme au cours de cette r´eaction, on parle de
fusion incongruente, par exemple
1. Les abr´eviations suivantes sont utilis´ees pour les esp`eces min´erales : Qz : quartz; Ab : albite; Or : or-
those; Pg : plagioclase; KF : feldspath potassique; Bt : biotite; Gt : grenat ; Cd : Cordi´erite ; AlS : Silicates
d’alumine (andalousite, sillimanite ou disth`ene, selon les conditions P—T) ; Ms : muscovite ; Opx : orthopy-
rox`ene ; Cpx : clinopyrox`ene ; Ol : olivine ; Hb : hornblende ; Amp : amphibole ; Sp : Spinelle ; Ep : ´epidote ;
Coe : co´esite, forme de haute pression du quartz ; Phg : phengite, mica de haute pression ; Par : paragonite,
mica de haute pression ; Jd : jad´eite, pyrox`ene sodique de haute pression
1

Bt +Ab +Qz +AlS ®Liquide +Gt +KF (2)
1.2 Fusion hydrat´ee ou anhydre
La pr´esence ou l’absence d’une phase fluide (en g´en´eral l’eau, mais aussi le CO2ou
parfois le fluor) joue un rˆole important dans le contrˆole des r´eactions de fusion qui se
d´eroulent. Sch´ematiquement, on peut distinguer trois cas :
1.2.1 La fusion en condition compl`etement anhydres
L’eau est absente du syst`eme (mˆeme en tant qu’eau li´ee `a des min´eraux comme les
micas). C’est par exemple le cas des r´eactions de fusion partielle dans le manteau, comme
Opx +Cpx +Gt/Sp/P g ®Liquide (3)
1.2.2 La fusion en pr´esence d’une phase liquide libre
Il existe de l’eau liquide (ou gazeuse, ou supercritique) dans le syst`eme, en plus de l’eau
li´ee aux min´eraux. C’est par exemple le cas de la r´eaction de “fusion eutectique” du syst`eme
granitique :
Qz +Ab +Or +H2O®Liquide (4)
650 700 750 800 850 900 950
0
5
10
15
20
P (Kbar)
T (˚C)
Bt + AlS
q
i
L+
FK+dC
B
t
+
A
l
S
C
d
+
K
F
+
L
i
q
L
i
q
P
g
+
K
F
+
Q
z
+
H
2
O
Fig. 1 – Deux r´eactions de fusion possibles pour les roches crustales : fusion en pr´esence d’eau
(´equation 4) et fusion-d´eshydratation de la biotite (´equation 5).
2

1.2.3 La “fusion-d´eshydratation”
La seule eau du syst`eme est celle qui est li´ee `a des min´eraux comme les micas ou les am-
phiboles. Dans ce cas, les r´eactions de fusion sont souvent li´ees `a la destruction d’un min´eral
hydrat´e, et la formation d’un nouveau min´eral contenant `a peu pr`es les mˆemes ´el´ements chi-
miques, mais anhydre (il s’agit donc, n´ecessairement, d’une r´eaction de fusion incongruente).
Dans une mauvaise traduction de l’anglais “dehydration melting”, on parle de “fusion-
d´eshydratation”. La r´eaction suivante d´ecrit par exemple la fusion-d´eshydratation de la
biotite :
Bt +Ab +Qz +AlS ®Liquide +Cord/Gt +KF (5)
On peut mieux comprendre cette r´eaction si on essaye de la d´ecomposer :
– D’une part, en une r´eaction m´etamorphique “normale” de d´estabilisation du mica :
Bt +AlS ®Gt/Cord +KF +H2O(6)
C’est une r´eaction m´etamorphique que l’on peut en effet observer dans la formation de
certaines granulites. Selon la pression, le produit sera la cordi´erite (`a basse pression)
ou le grenat (`a plus haute pression).
– D’autre part, en une r´eaction de fusion “eutectique”
Qz +Ab(P g) + Or(KF ) + H2O®Liquide (7)
dans laquelle l’eau et le KF ont ´et´e apport´es par la r´eaction pr´ec´edente.
Le bilan de ces deux r´eactions correspond bien `a celle ´ecrite plus haut (´equation 5).
1.3 Quelle r´eaction a effectivement lieu?
Parmi ces r´eactions, on peut se demander laquelle va effectivement se d´erouler lors du
r´echauffement progressif d’une roche (par exemple, `a l’occasion d’un ´episode m´etamorphique).
Le facteur principal `a prendre en compte est la composition min´eralogique de la roche
source.
Consid´erons les r´eactions ´evoqu´ees plus haut (5 `a 7, et appliquons-les `a trois syst`emes
simples (`a 10 kbar) :
Système Qz-KF-Pg-Bt-AlS :
650 700 750 800 850 900 950
0
5
10
15
20
P (Kbar)
T (˚C)
Liq
Gt
mnx résiduels
+
-
Bt + AlS Gt + KF + H2O
KF + Pg + Qz Liq
(rien)
(Paragneiss)
Système Pg-Bt-AlS :
(Orthogneiss tonalitique)
650 700 750 800 850 900 950
0
5
10
15
20
P (Kbar)
T (˚C)
Pg
Bt
AlS
Pg
Bt
AlS
Bt + AlS Gt + KF + H2O
pas de KF
(rien)
Pg
Gt
KF
AlS
H2O
(granulite)
Système Qz-KF-Pg-Bt-AlS-H2O
(Paragneiss hydraté)
650 700 750 800 850 900 950
0
5
10
15
20
P (Kbar)
T (˚C)
Liquide
(de + en +
abondant)
(rien)
Qz
KF
Pg
AlS
H2O
Liq
AlS
Bt
mnx résiduels
+
-
KF + Pg + Qz + H2O Liq
Qz
KF
Pg
AlS
H2O
Qz
KF
Pg
AlS
H2O
Qz
KF
Pg
AlS
H2O
Fig. 2 – Comportement de trois syst`emes simplifi´es lors des r´eactions 4 et 5. 1. Paragneiss hy-
drat´e ; 2. Paragneiss sans eau ; 3. Orthogneiss tonalitique. La fl`eche grise dans les trois cas indique
un r´echauffement progressif (m´etamorphisme prograde) conduisant `a la fusion. Les assemblages
min´eraux successifs sont indiqu´es.
1. Un paragneiss hydrat´e (et avec du feldspath potassique) ;
2. Un paragneiss sec ;
3. Un orthogneiss tonalitique, sec.
3

Dans le cas du paragneiss hydrat´e, lors du r´echauffement de cette roche, la fusion
commence d`es qu’elle atteint la premi`ere r´eaction (´equation 4), vers 650 ◦C ; en effet, ce
gneiss contient tout les r´eactifs n´ecessaires pour que cette r´eaction se d´eroule. Lors de la
travers´ee de la courbe de la r´eaction 5, le seul effet est d’incorporer les produits de la
destruction de la biotite au liquide.
Pour un paragneiss sec, en revanche, rien ne se passe sur la courbe correspondant `a
la r´eaction 4; en effet, un des r´eactifs, l’eau, fait d´efaut. Cependant, lorsque la temp´erature
d´epasse 850 ◦C, cette roche franchit la courbe correspondant `a la r´eaction 5 et les deux
r´eactions coupl´ees d´ecrites plus haut se d´eroulent : la biotite se d´ecompose pour lib´erer
de l’eau (et du feldspath potassique suppl´ementaire, ce qui aurait permis `a cette r´eaction
d’avoir lieu mˆeme dans une roche initialement priv´ee de ce min´eral) (´equation 6) ; d`es
lors, on se trouve dans une situation ou la temp´erature est sup´erieure `a celle n´ecessaire
`a la r´eaction 7 (on est `a droite de cette courbe), et ou tout les produits n´ecessaires sont
pr´esents : la fusion peut donc avoir lieu.
Pour un syst`eme tonalitique, enfin, l’absence d’eau empˆeche bien ´evidemment la fu-
sion sur la courbe correspondant `a la r´eaction eutectique 4. Au passage de la courbe cor-
respondant `a la d´estabilisation de la biotite, la biotite se d´ecompose selon la r´eaction 6,
lib´erant ainsi de l’eau, du grenat et du feldspath potassique; mais, en l’absence de quartz,
la r´eaction 4 ne peut pas avoir lieu, bien qu’on soit `a des temp´eratures sup´erieures `a celles
n´ecessaires pour cette r´eaction.
Paragneiss
Orthogneiss tonalitique
Circulation d'eau
(par ex. zone de cisaillement)
Paragneiss non fondu
Orthogneiss tonalitique
non fondu
ca. 700 ˚C
Zone partiellement fondue
(Liquide + Bt + éventuellement
mnx en excès)
ca. 900 ˚C
Orthogneiss tonalitique
transformé en granulites
Pg + KF + Gt + AlS + H2O
Départ d'eau
(elle aidera sûrement la fusion des roches voisines...)
Paragneiss partiellement fondu
(Liquide + Gt + ev. mnx en excès)
Paragneiss partiellement fondu,
forte quantité de liquide
(Liquide + Gt + ev. mnx en excès)
Roches d'origine
Fig. 3 – Fusion partielle d’une croˆute composite, form´ee d’un socle tonalitique sur lequel sont
d´epos´es des s´ediments (paragneiss). Une zone de cisaillement draine de l’eau dans une partie du
syst`eme. Les roches correspondent aux syst`emes de la figure 2
De cette fa¸con, on voit que si l’on chauffe une croˆute composite (figure 3), on peut tr`es
bien se retrouver avec des secteurs compl`etement fondus cohabitant avec d’autres qui ne le
sont pas, alors mˆeme que l’ensemble de la r´egion a ´et´e port´ee dans les mˆemes conditions de
pression et de temp´erature...
4

1.4 Observations de terrain
Dans certains terrains migmatitiques, cette s´equence de r´eactions s’observe directement,
et on retrouve la trace de deux ´episodes de fusion successifs, en pr´esence d’eau puis par
fusion-d´eshydratation. La figure 4 montre un affleurement situ´e sur la bordure Sud du
complexe migmatitique du Velay. On y observe des gneiss, plus ou moins migmatitiques,
avec ici et l`a des nodules de cordi´erite.
3 cm
Portion de roche
pas ou peu fondue
Migmatite (1) Migmatite (2)
"nodules" de
cordièrite biotite
+
-
Lits de
biotite
Fig. 4 – Un affleurement migmatitique `a Meyras (07), Sud du massif granitique du Velay. On y
distingue deux g´en´erations de fusion; les liquides migmatitiques de la g´en´eration (1) se sont form´es
par la r´eaction Qz +Ab +Or +H2OLiquide, qui n’implique pas la biotite : on obtient donc
des films de liquides granitiques, pi´eg´es entre des lits de biotite ; celles de la seconde g´en´eration se
sont form´es par la r´eaction Bt +Ab +Qz +AlS Liquide +Cord +KF , o`u la formation de
liquide s’accompagne de la destruction de biotite : on obtient donc des zones de liquide autour des
nodules de cordi´erite, et il n’existe plus de lits de biotite r´esiduelle dans ces zones.
Une observation plus attentive montre que les nodules de cordi´erites sont entour´es d’une
aur´eole tr`es claire, correspondant `a des roches sans biotites : ces r´egions sont des anciens
liquides, form´es par une r´eaction de fusion-d´eshydratation de la biotite, qui a donc disparu
au profit de la cordi´erite (´equation 5).
Ces secteurs sont s´ecants sur la foliation g´en´erale de la roche, qui est port´ee par une
alternance de lits de micas, et de lits leucocrates `a quartz et feldspath. Cette alternance
correspond probablement `a des lits de liquides, s´epar´es par des amas de biotites restitiques,
il s’agirait donc d’une fusion partielle n’entraˆınant pas la disparition de la biotite, c’est `a
dire la fusion en pr´esence d’eau de l’´equation 4.
Cet affleurement porte donc la trace de deux g´en´erations successives de fusion partielle,
d’abord en pr´esence d’eau puis par fusion-d´eshydratation de la biotite.
2 – A propos de quelques notions “classiques”
La pr´esentation habituelle des probl`emes de fusion partielle se fait en terme de solidus
sec ou hydrat´e, de liquidus, ou encore d’eutectique. Comment ces notions se rattachent-elles
aux r´eactions de fusion que l’on vient d’´evoquer?
2.1 A propos des solidus...
Le petit exemple pr´ec´edent montre qu’un paragneiss hydrat´e va fondre `a relativement
basse temp´erature, selon la r´eaction de fusion eutectique en pr´esence d’eau 4.
En revanche, le mˆeme paragneiss, en l’absence d’eau, va fondre par fusion-d´eshydratation
de la biotite 5.
5